一文搞懂Cookie、Session 和 Token

虫孑
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前后端交互过程中常用到的3大角色：Cookie、Session、Token，平常使用时总有一些小伙伴容易混淆，或者不知道他们的特性，系统设计时该用哪个，今天来详细聊聊。

我们都知道HTTP 协议是一种无状态协议，即每次服务端接收到客户端的请求时，都是一个全新的请求，服务器并不知道客户端的历史请求记录；早期Session 和 Cookie 的出现主要目的就是为了弥补 HTTP 的无状态特性。

Session 是什么

客户端请求服务端，服务端会为这次请求开辟一块内存空间，这个对象便是 Session 对象，存储结构为 ConcurrentHashMap。Session 弥补了 HTTP 无状态特性，服务器可以利用 Session 存储客户端在同一个会话期间的一些操作记录。

Session 如何判断是否是同一会话

服务器第一次接收到请求时，开辟了一块 Session 空间（创建了Session对象），同时生成一个 sessionId ，并通过响应头的 Set-Cookie：JSESSIONID=XXXXXXX 命令，向客户端发送要求设置 Cookie 的响应； 客户端收到响应后，在本机客户端设置了一个 JSESSIONID=XXXXXXX 的 Cookie 信息，该 Cookie 的过期时间为浏览器会话结束；

image.png

接下来客户端每次向同一个网站发送请求时，请求头都会带上该 Cookie信息（包含 sessionId ）， 然后，服务器通过读取请求头中的 Cookie 信息，获取名称为 JSESSIONID 的值，得到此次请求的 sessionId。

Session 的缺点

  • 服务器压力大： 通常Session是存储在内存中的，每个用户通过认证之后都会将session数据保存在服务器的内存中，而当用户量增大时，服务器的压力增大。

  • 扩展性： 在分布式集群中，用户的每次请求可能会落到不同的服务器上，因此就会存在session共享的问题。虽然可以将session统一保存到Redis中，但是这样做无疑增加了系统的复杂性，对于不需要redis的应用也会白白多引入一个缓存中间件

  • session认证本质上是基于cookie，而cookie无法跨域，所以session的认证也无法跨域，对单点登录不适用

  • CSRF跨站伪造请求攻击：Session机制是基于浏览器端的cookie的，cookie如果被截获，用户就会很容易受到跨站请求伪造的攻击。

Cookies 是什么

HTTP 协议中的 Cookie 包括 Web Cookie 和浏览器 Cookie，它是服务器发送到 Web 浏览器的一小块数据。服务器发送到浏览器的 Cookie，浏览器会进行存储，并与下一个请求一起发送到服务器。通常，它用于判断两个请求是否来自于同一个浏览器，例如用户保持登录状态。

HTTP Cookie 机制是 HTTP 协议无状态的一种补充和改良

Cookie 主要用于下面三个目的

  • 会话管理 登陆、购物车、游戏得分或者服务器应该记住的其他内容

  • 个性化 用户偏好、主题或者其他设置

  • 追踪 记录和分析用户行为

Cookie 曾经用于一般的客户端存储。虽然这是合法的，因为它们是在客户端上存储数据的唯一方法，但如今建议使用现代存储 API。Cookie 随每个请求一起发送，因此它们可能会降低性能（尤其是对于移动数据连接而言）。

创建 Cookie 当接收到客户端发出的 HTTP 请求时，服务器可以发送带有响应的 Set-Cookie 标头，Cookie 通常由浏览器存储，然后将 Cookie 与 HTTP 标头一同向服务器发出请求。

Set-Cookie 和 Cookie 标头 Set-Cookie HTTP 响应标头将 cookie 从服务器发送到用户代理。下面是一个发送 Cookie 的例子

image.png

此标头告诉客户端存储 Cookie

现在，随着对服务器的每个新请求，浏览器将使用 Cookie 头将所有以前存储的 Cookie 发送回服务器。

image.png

有两种类型的 Cookies，一种是 Session Cookies，一种是 Persistent Cookies，如果 Cookie 不包含到期日期，则将其视为会话 Cookie。会话 Cookie 存储在内存中，永远不会写入磁盘，当浏览器关闭时，此后 Cookie 将永久丢失。如果 Cookie 包含有效期 ，则将其视为持久性 Cookie。在到期指定的日期，Cookie 将从磁盘中删除。

还有一种是 Cookie的 Secure 和 HttpOnly 标记，下面依次来介绍一下

会话 Cookies

上面的示例创建的是会话 Cookie ，会话 Cookie 有个特征，客户端关闭时 Cookie 会删除，因为它没有指定Expires或 Max-Age 指令。

但是，Web 浏览器可能会使用会话还原，这会使大多数会话 Cookie 保持永久状态，就像从未关闭过浏览器一样。

永久性 Cookies

永久性 Cookie 不会在客户端关闭时过期，而是在特定日期（Expires）或特定时间长度（Max-Age）外过期。例如

 Set-Cookie: id=a3fWa; Expires=Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT;

Cookie 的 Secure 和 HttpOnly 标记

安全的 Cookie 需要经过 HTTPS 协议通过加密的方式发送到服务器。即使是安全的，也不应该将敏感信息存储在cookie 中，因为它们本质上是不安全的，并且此标志不能提供真正的保护。

HttpOnly 的作用

  • 会话 Cookie 中缺少 HttpOnly 属性会导致攻击者可以通过程序(JS脚本、Applet等)获取到用户的 Cookie 信息，造成用户 Cookie 信息泄露，增加攻击者的跨站脚本攻击威胁。

  • HttpOnly 是微软对 Cookie 做的扩展，该值指定 Cookie 是否可通过客户端脚本访问。

  • 如果在 Cookie 中没有设置 HttpOnly 属性为 true，可能导致 Cookie 被窃取。窃取的 Cookie 可以包含标识站点用户的敏感信息，如 ASP.NET 会话 ID 或 Forms 身份验证票证，攻击者可以重播窃取的 Cookie，以便伪装成用户或获取敏感信息，进行跨站脚本攻击等。

Cookie 的作用域

Domain 和 Path 标识定义了 Cookie 的作用域：即 Cookie 应该发送给哪些 URL。

Domain 标识指定了哪些主机可以接受 Cookie。如果不指定，默认为当前主机(不包含子域名）。如果指定了Domain，则一般包含子域名。

例如，如果设置 Domain=aaa.org，则 Cookie 也包含在子域名中（如developer.aaa.org）。

例如，设置 Path=/docs，则以下地址都会匹配：

  • /docs
  • /docs/Web/
  • /docs/Web/HTTP

Token 是什么

Json Web Token 的简称是 JWT，通常可以称为 Json 令牌。它是RFC 7519 中定义的用于安全的将信息作为 Json 对象进行传输的一种形式。JWT 中存储的信息是经过数字签名的，因此可以被信任和理解。可以使用 HMAC 算法或使用 RSA/ECDSA 的公用/专用密钥对 JWT 进行签名。

使用 JWT 主要用来下面两点

  • 认证(Authorization)：这是使用 JWT 最常见的一种情况，一旦用户登录，后面每个请求都会包含 JWT，从而允许用户访问该令牌所允许的路由、服务和资源。单点登录是当今广泛使用 JWT 的一项功能，因为它的开销很小。
  • 信息交换(Information Exchange)：JWT 是能够安全传输信息的一种方式。通过使用公钥/私钥对 JWT 进行签名认证。此外，由于签名是使用 head 和 payload 计算的，因此你还可以验证内容是否遭到篡改。

JWT 的格式

下面，我们会探讨一下 JWT 的组成和格式是什么

JWT 主要由三部分组成，每个部分用 . 进行分割，各个部分分别是

  • Header
  • Payload
  • Signature

因此，一个非常简单的 JWT 组成会是下面这样

image.png

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ
Header

Header 是 JWT 的标头，它通常由两部分组成：令牌的类型(即 JWT)和使用的 签名算法，例如 HMAC SHA256 或 RSA。

JWT的头部承载两个信息：

  • 声明类型，这里是JWT
  • 声明加密的算法

完整的头部就像下面这样的JSON：

{ 
    'typ': 'JWT', 
    'alg': 'HS256' 
}

然后将头部进行Base64编码（该编码是可以对称解码的），构成了第一部分。

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9
Payload

Token 的第二部分是 Payload，Payload 中包含一个声明。声明是有关实体（通常是用户）和其他数据的声明。共有三种类型的声明：registered, public 和 private 声明。

  • registered 声明： 包含一组建议使用的预定义声明，主要包括
iss：令牌颁发者。表示该令牌由谁创建，该声明是一个字符串
sub: Subject Identifier，iss提供的终端用户的标识，在iss范围内唯一，最长为255个ASCII个字符，区分大小写
aud：Audience(s)，令牌的受众，分大小写的字符串数组
exp：Expiration time，令牌的过期时间戳。超过此时间的token会作废， 该声明是一个整数，是1970年1月1日以来的秒数
iat: 令牌的颁发时间，该声明是一个整数，是1970年1月1日以来的秒数
jti: 令牌的唯一标识，该声明的值在令牌颁发者创建的每一个令牌中都是唯一的，为了防止冲突，它通常是一个密码学随机值。这个值相当于向结构化令牌中加入了一个攻击者无法获得的随机熵组件，有利于防止令牌猜测攻击和重放攻击。

  • public 声明：公共的声明，可以添加任何的信息，一般添加用户的相关信息或其他业务需要的必要信息，但不建议添加敏感信息，因为该部分在客户端可解密。

  • private 声明：自定义声明，旨在在同意使用它们的各方之间共享信息，既不是注册声明也不是公共声明。 例如:

{
    "sub": "1234567890",
    "name": "John Doe" 
}

然后将其进行Base64编码，得到Jwt的第二部分：

JTdCJTBBJTIwJTIwJTIyc3ViJTIyJTNBJTIwJTIyMTIzNDU2Nzg5MCUyMiUyQyUwQSUyMCUyMCUyMm5hbWUlMjIlM0ElMjAlMjJKb2huJTIwRG9lJTIyJTBBJTdE
Signature

这个部分需要Base64编码后的Header和Base64编码后的Payload使用 . 连接组成的字符串，然后通过Header中声明的加密方式进行加密（$secret 表示用户的私钥），然后就构成了jwt的第三部分。

// javascript
var encodedString = base64UrlEncode(header) + '.' + base64UrlEncode(payload);
var signature = HMACSHA256(encodedString, '$secret');

将这三部分用 . 连接成一个完整的字符串，就构成了开始的JWT示例。

image.png

基于token的常用认证方案

image.png

上图是API网关利用JWT实现认证的整个业务流程时序图，下面我们用文字来详细描述图中标注的步骤：

  1. 客户端向API网关发起认证请求，请求中一般会携带终端用户的用户名和密码；
  1. API网关将请求直接转发给后端服务；
  1. 后端服务读取请求中的验证信息（比如用户名、密码）进行验证，验证通过后使用私钥生成标准的token，返回给API网关；
  1. API网关将携带token的应答返回给客户端，客户端需要将这个token缓存到本地；
  1. 客户端向API网关发送业务请求，请求中携带token；
  1. API网关使用用户设定的公钥对请求中的token进行验证，验证通过后，将请求透传给后端服务；
  1. 后端服务进行业务处理后应答；
  1. API网关将业务应答返回给客户端。

在这个整个过程中，API网关利用token认证机制，实现了用户使用自己的用户体系对自己API进行授权的能力。

Token 的特点

  • JWT 默认是不加密，不能将秘密数据写入 JWT。
  • JWT 不仅可以用于认证，也可以用于交换信息。有效使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数。
  • JWT 的最大缺点是，由于服务器不保存 session 状态，因此无法在使用过程中废止某个 token，或者更改 token 的权限。也就是说，一旦 JWT 签发了，在到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑。
  • JWT 本身包含了认证信息，一旦泄露，任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT 的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证。
  • 为了减少盗用，JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输，要使用HTTPS 协议传输。
  • Session 是存储在服务器内存中，这就意味着如果网站或者应用很大的情况下会耗费大量的资源。由于 JWT 是无状态的，在许多情况下，它们可以节省服务器资源。因此 JWT 要比 Session Cookies 具有更强的可扩展性
  • Session Cookies 只能用在单个节点的域或者它的子域中有效。如果它们尝试通过第三个节点访问，就会被禁止。如果你希望自己的网站和其他站点建立安全连接时，这是一个问题。使用 JWT 可以解决这个问题，使用 JWT 能够通过多个节点进行用户认证，也就是我们常说的跨域认证。
  • 避免CSRF跨站伪造攻击，还是因为不依赖cookie；

后记

通过上面的特性比较，相信大家对选型有了更深的认识，大致来说

对于只需要登录用户并访问存储在站点数据库中的一些信息的中小型网站来说，Session Cookies 通常就能满足。

如果你有企业级站点，客户端应用程序或附近的站点，并且需要处理大量的请求，尤其是第三方或很多第三方（包括位于不同域的API），则 JWT 显然更适合。

参考资料

mkjwk.org

jwt.io/

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